(57)【要約】【課題】  部品点数が少なく、小型・軽量化可能な多自由度関節駆動機構を提供する。【解決手段】  第１構造体１に第１回転関節５が配設され、第１回転関節５により第１構造体１と接続された第２構造体２に第２回転関節７が配設されて第１回転関節５と回転軸が略直交し、第２回転関節７により第２構造体２と第３構造体３とが接続され、第１構造体１及び第２構造体２に接続された第１駆動装置８−１で第１回転関節５を駆動し、第３構造体３に接続された第１自在継手１４が接続され直動継手１５と第２自在継手１６とが接続され、第１構造体１に接続されかつ第２自在継手１６に接続された第２駆動装置１０−１で第２回転関節７を駆動する。【選択図】図２Ａ
2005230949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１構造体（１）と、
上記第１構造体に配設された第１回転関節（５）と、
上記第１回転関節により上記第１構造体と相対的に回動可能に接続された第２構造体（２）と、
上記第２構造体に配設され、上記第１回転関節と回転軸が略直交する第２回転関節（７）と、
上記第２回転関節により上記第２構造体と相対的に回動可能に接続された第３構造体（３）と、
一端が上記第１構造体に接続されかつ他端が上記第２構造体に接続され、上記第１回転関節を駆動して上記第１構造体と上記第２構造体とを相対的に回動させる第１駆動装置（８−１、８−２、８−３、８−４）と、
上記第３構造体に接続された第１自在継手（１４）と、
上記第１自在継手と相対回転不可に接続された直動継手（１５）と、
上記直動継手と相対回転不可に接続された第２自在継手（１６）と、
一端が上記第１構造体に接続され、かつ、他端が上記第２自在継手に接続されることにより上記第２回転関節を駆動して上記第２構造体と上記第３構造体とを相対的に回動させる第２駆動装置（１０−１、１０−２）とを有する多自由度関節駆動機構。
【請求項２】
第１構造体（１）と、
上記第１構造体に配設された第１回転関節（５）と、
上記第１回転関節により上記第１構造体と相対的に回動可能に接続された第２構造体（２）と、
上記第２構造体に配設され、上記第１回転関節と回転軸が略直交する第２回転関節（７）と、
上記第２回転関節により上記第２構造体と相対的に回動可能に接続された第３構造体（３）と、
一端が上記第１構造体に接続されかつ他端が上記第２構造体に接続され、上記第１回転関節を駆動して上記第１構造体と上記第２構造体とを相対的に回動させる第１駆動装置（８−１、８−２、８−３、８−４）と、
上記第３構造体に接続された第１自在継手（１４）と、
上記第１自在継手と相対回転不可に接続された第２自在継手（１６）と、
上記第２自在継手と相対回転不可に接続された直動継手（１５）と、
一端が上記第１構造体に接続され、かつ、他端が上記直動継手に接続されることにより上記第２回転関節を駆動して上記第２構造体と上記第３構造体とを相対的に回動させる第２駆動装置（１０−１、１０−２）とを有する多自由度関節駆動機構。
【請求項３】
上記第１駆動装置は直動アクチュエータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多自由度関節駆動機構。
【請求項４】
上記第２駆動装置は直動アクチュエータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多自由度関節駆動機構。
【請求項５】
上記第１自在継手又は上記直動継手又は上記第２自在継手のうち少なくとも１つが上記第２構造体内に配設されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多自由度関節駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアーム等の機械装置の関節機構に応用可能な多自由度関節駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットアームにより複雑な作業を実現するためには、手先の位置・姿勢６次元の制御が可能な６自由度以上の多関節ロボットが必要とされる。多関節アームを実現しようとする場合、関節構造をどのような構造にするのか、関節をどのように駆動するかが課題となる。関節構造としては、制御性能やコスト等の点から、小型・軽量であることが必要とされ、一カ所で複数の自由度が実現できる多自由度関節が種々開発されている。こうした多自由度関節の従来技術としては、特許文献１において、曲げ駆動軸と回転軸間に曲げ軸用のユニバーサルジョイントを設け、ひねり駆動軸と回転軸間にひねり軸用のユニバーサルジョイントを設ける構成を開示している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特公平８−５０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の構成では、手首の小型、簡易及び軽量化を目的としているが、傾斜面を有する回転軸や、複数の巻き掛け伝動部材等の多くの構成部材から構成されるため、小型・軽量化には限度がある。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来の関節機構の課題を解決し、部品点数が少なく、小型・軽量化可能な多自由度関節駆動機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００７】
本発明の１つの態様によれば、第１構造体と、
上記第１構造体に配設された第１回転関節と、
上記第１回転関節により上記第１構造体と相対的に回動可能に接続された第２構造体と、
上記第２構造体に配設され、上記第１回転関節と回転軸が略直交する第２回転関節と、
上記第２回転関節により上記第２構造体と相対的に回動可能に接続された第３構造体と、
一端が上記第１構造体に接続されかつ他端が上記第２構造体に接続され、上記第１回転関節を駆動して上記第１構造体と上記第２構造体とを相対的に回動させる第１駆動装置と、
上記第３構造体に接続された第１自在継手と、
上記第１自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
上記直動継手と相対回転不可に接続された第２自在継手と、
一端が上記第１構造体に接続され、かつ、他端が上記第２自在継手に接続されることにより上記第２回転関節を駆動して上記第２構造体と上記第３構造体とを相対的に回動させる第２駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、第１構造体と、
上記第１構造体に配設された第１回転関節と、
上記第１回転関節により上記第１構造体と相対的に回動可能に接続された第２構造体と、
上記第２構造体に配設され、上記第１回転関節と回転軸が略直交する第２回転関節と、
上記第２回転関節により上記第２構造体と相対的に回動可能に接続された第３構造体と、
一端が上記第１構造体に接続されかつ他端が上記第２構造体に接続され、上記第１回転関節を駆動して上記第１構造体と上記第２構造体とを相対的に回動させる第１駆動装置と、
上記第３構造体に接続された第１自在継手と、
上記第１自在継手と相対回転不可に接続された第２自在継手と、
上記第２自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
一端が上記第１構造体に接続され、かつ、他端が上記直動継手に接続されることにより上記第２回転関節を駆動して上記第２構造体と上記第３構造体とを相対的に回動させる第２駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第２回転関節回りの回転運動を駆動するために第２構造体にアクチュエータを配設する構造ではないため、関節駆動機構の構造を小型・軽量にすることができる。また、多自由度関節駆動機構をロボットアームに応用する場合に、第１構造体をアームの根元に近い側のリンク、第３構造体をアームの先端に近い側のリンクとすることにより、重量物であるアクチュエータがアームの根元に近い側に配設されることになり、アームの動特性が改善され、制御性能の高いロボットアームとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１１】
本発明の第１態様によれば、第１構造体と、
上記第１構造体に配設された第１回転関節と、
上記第１回転関節により上記第１構造体と相対的に回動可能に接続された第２構造体と、
上記第２構造体に配設され、上記第１回転関節と回転軸が略直交する第２回転関節と、
上記第２回転関節により上記第２構造体と相対的に回動可能に接続された第３構造体と、
一端が上記第１構造体に接続されかつ他端が上記第２構造体に接続され、上記第１回転関節を駆動して上記第１構造体と上記第２構造体とを相対的に回動させる第１駆動装置と、
上記第３構造体に接続された第１自在継手と、
上記第１自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
上記直動継手と相対回転不可に接続された第２自在継手と、
一端が上記第１構造体に接続され、かつ、他端が上記第２自在継手に接続されることにより上記第２回転関節を駆動して上記第２構造体と上記第３構造体とを相対的に回動させる第２駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
【００１２】
本発明の第２態様によれば、第１構造体と、
上記第１構造体に配設された第１回転関節と、
上記第１回転関節により上記第１構造体と相対的に回動可能に接続された第２構造体と、
上記第２構造体に配設され、上記第１回転関節と回転軸が略直交する第２回転関節と、
上記第２回転関節により上記第２構造体と相対的に回動可能に接続された第３構造体と、
一端が上記第１構造体に接続されかつ他端が上記第２構造体に接続され、上記第１回転関節を駆動して上記第１構造体と上記第２構造体とを相対的に回動させる第１駆動装置と、
上記第３構造体に接続された第１自在継手と、
上記第１自在継手と相対回転不可に接続された第２自在継手と、
上記第２自在継手と相対回転不可に接続された直動継手と、
一端が上記第１構造体に接続され、かつ、他端が上記直動継手に接続されることにより上記第２回転関節を駆動して上記第２構造体と上記第３構造体とを相対的に回動させる第２駆動装置とを有する多自由度関節駆動機構を提供する。
【００１３】
本発明の第３態様によれば、上記第１駆動装置は直動アクチュエータであることを特徴とする第１又は２態様に記載の多自由度関節駆動機構を提供する。
【００１４】
本発明の第４態様によれば、上記第２駆動装置は直動アクチュエータであることを特徴とする第１又は２態様に記載の多自由度関節駆動機構を提供する。
【００１５】
本発明の第５態様によれば、上記第１自在継手又は上記直動継手又は上記第２自在継手のうち少なくとも１つが上記第２構造体内に配設されたことを特徴とする第１又は２態様に記載の多自由度関節駆動機構を提供する。
【００１６】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第１実施形態にかかる多自由度関節の構造を示す全体図である。また、図２Ａ及び図２Ｂ及び図２Ｃは本発明の第１実施形態にかかる多自由度関節の構造を示す断面図及び斜視図である。図２Ａは図１Ａ中に記したＡ−Ａ線断面を示している。図２Ｂは図２Ａの部分拡大断面図であり、図２Ｃは第１自在継手１４と直動関節１５の斜視図である。図１Ａ及び図１Ｂ及び図２Ａにおいて、１は下端にＬ字状に屈曲した二股部１ａを有するロッド状の第１構造体、２は図１Ａ及び図１Ｂの右側半分以上が二股部２ａとなったコの字ブロック状第２構造体、３は図１Ａ及び図１Ｂの右端が第２構造体２内に回転自在に挿入されているロッド状第３構造体である。第１構造体１と第２構造体２は、ベアリング４−１、４−２で構成される第１回転関節５により接続されており、互いに回転可能である。すなわち、第２構造体２の二股部２ａ内に第１構造体１の二股部１ａが配置され、第１構造体１の二股部１ａの貫通穴１ｂ，１ｂにそれぞれ設けられたベアリング４−１、４−２に回転自在に支持される連結ピン２Ａが、第２構造体２の二股部２ａの貫通穴２ｂ，２ｂにそれぞれ固定されて、連結ピン２Ａの中心軸である第１回転関節５の回転軸５Ｃ回りに第１構造体１と第２構造体２がベアリング４−１、４−２で互いに回転可能となっている。
【００１８】
第２構造体２と第３構造体３は、ベアリング６−１、６−２で構成される第２回転関節７により接続されており、互いに回動可能である。すなわち、第２構造体２の二股部２ａ以外の左側の貫通穴にベアリング６−１、６−２を設け、第３構造体３の右端が第２構造体２内に挿入されてベアリング６−１、６−２に支持されて、第３構造体３が第２構造体２に対して第２回転関節７の回転軸７Ｃ回りに回転自在に支持されている。また、第１回転関節５の回転軸５Ｃと第２回転関節７の回転軸７Ｃは略直交している。
【００１９】
８は、第１駆動装置の一例であり、例えば空気圧人工筋等の４本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２、８−３、８−４で構成される第１直動アクチュエータ群であり、第２構造体２の二股部２ａにそれぞれの基端部が固定された回転ジョイント９−１、９−２、９−３、９−４の回動端に４本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２、８−３、８−４の下端部がそれぞれ回転自在に連結されることにより、４本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２、８−３、８−４が第１構造体１と第２構造体２に接続され、第１構造体１と第２構造体２の第１回転関節５における正逆回転運動を駆動する。すなわち、第２構造体２の二股部２ａの先端の貫通穴２ｃ，２ｃにロッド状の回転ジョイント９−３、９−４の基端部が固定され、当該ジョイント９−３、９−４の先端部に第１直動アクチュエータ８−３、８−４の下端部が回転自在に連結されている。同様に、第２構造体２の二股部２ａの基端部の貫通穴２ｃ，２ｃにロッド状のジョイント９−１、９−２の基端部が固定され、当該ジョイント９−１、９−２の先端部に第１直動アクチュエータ８−１、８−２の下端部が回転自在に連結されている。ジョイント９−３、９−４とジョイント９−１、９−２とは、第１回転関節５の回転軸５Ｃに対して対称に配置されている結果、第１直動アクチュエータ８−１、８−２の下端部が同期して大略同一距離だけ上昇しかつ第１直動アクチュエータ８−３、８−４の下端部が同期して大略同一距離だけ下降すると、第２構造体２は第１回転関節５の回転軸５Ｃ回りに時計回りに回動する。一方、逆に、第１直動アクチュエータ８−１、８−２の下端部が同期して大略同一距離だけ下降しかつ第１直動アクチュエータ８−３、８−４の下端部が同期して大略同一距離だけ上昇すると、第２構造体２は第１回転関節５の回転軸５Ｃ回りに反時計回りに回動する。
【００２０】
１０は、第２駆動装置の一例であり、例えば空気圧人工筋やモータやシリンダ等の２本の第２直動アクチュエータ１０−１、１０−２（図１Ａでは重なって図示されているが、手前側の第２直動アクチュエータを１０−１、奥側の第２直動アクチュエータを１０−２とする。）で構成される第２直動アクチュエータ群であり、第２直動アクチュエータ１０−１、１０−２の下端にそれぞれの端部が固定されたワイヤー１１をプーリー１２に掛け回して接続されて、プーリー１２の正逆回転運動を駆動する。プーリー１２はベアリング１３により第１構造体１に対して相対的な回転運動が可能な状態で固定されている。よって、手前側の第２直動アクチュエータ１０−１の下端が上昇しかつ奥側の第２直動アクチュエータ１０−２の下端が下降すると、奥側の第２直動アクチュエータ１０−２の下端から手前側の第２直動アクチュエータ１０−１の下端に向けてワイヤー１１が移動して、プーリー１２が図１Ａでは下から上向きに回転する。一方、手前側の第２直動アクチュエータ１０−１の下端が下降しかつ奥側の第２直動アクチュエータ１０−２の下端が上昇すると、手前側の第２直動アクチュエータ１０−１の下端から奥側の第２直動アクチュエータ１０−２の下端に向けてワイヤー１１が移動して、プーリー１２が図１Ａでは上から下向きに回転する。
【００２１】
また、第３構造体３は、第１自在継手１４を介して直動関節１５と相対回転不可にかつ屈曲自在に接続され、第１自在継手１４は直動関節１５を介し第２自在継手１６と相対回転不可にかつ伸縮自在に接続されている。さらに、直動関節１５は、第２自在継手１６を介してプーリー１２と相対回転不可にかつ屈曲自在に接続されている。したがって、回転軸５Ｃ回りの回転運動は、第１自在継手１４の屈曲自在の特性、直動関節１５の伸縮自在の特性、及び、第２自在継手１６の屈曲自在の特性により吸収され、かつ、第１自在継手１４、直動関節１５、及び、第２自在継手１６がそれぞれ相対回転不可であるため、回転軸５Ｃ回りの回転運動に関係なく、プーリー１２の回転運動が第３構造体３に伝達される。
【００２２】
すなわち、第２直動アクチュエータ群１０の２本の第２直動アクチュエータ１０−１、１０−２により駆動されるプーリー１２の正逆回転運動は、第２自在継手１６、直動関節１５、第１自在継手１４により、第２構造体２と第３構造体３の第２回転関節７における正逆回転運動へと伝動される。
【００２３】
以下に、第２自在継手１６、直動関節１５、第１自在継手１４などの構造について詳述する。
【００２４】
第１自在継手１４と第２自在継手１６は同一構造の一般的な十字継手であり、第１接続部材１０１と第２接続部材１０２と回転ピン１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ（１０３ａは１０３ｂの手前に位置するため図示せず）と回転ピン保持部材１０４により構成される。回転ピン１０３ａと回転ピン１０３ｂは同一軸上に配置されるように回転ピン保持部材１０４に固定されて第１回転軸１０５を形成している。また、回転ピン１０３ｃと回転ピン１０３ｄは同一軸上に配置されるように回転ピン保持部材１０４に固定されて第２回転軸１０６を形成している。第１回転軸１０５と第２回転軸１０６は直交しており、第１接続部材１０１は、その対向する一対の突出連結部１０１ｂの嵌合穴１０１ｃに回転ピン１０３ａと回転ピン１０３ｂとがそれぞれ相対的に回転可能に嵌合されて、第１回転軸１０５回りに回動自在に配設されている。また、第２接続部材１０２は、その対向する一対の突出連結部１０２ｂの嵌合穴１０２ｃに回転ピン１０３ｃと回転ピン１０３ｄとがそれぞれ相対回転可能に嵌合されて、第２回転軸１０６回りに回動自在に配設されている。したがって、第１回転軸１０５及び第２回転軸１０６により、第１接続部材１０１と第２接続部材１０２は、第１接続部材１０１と第２接続部材１０２の長手軸回りに相対的に回転不可かつ屈曲自在に接続された構造となっている。
【００２５】
直動関節１５は、両端部がそれぞれＵ字形状となるように両端部に切欠溝１０７ａが形成された連結部材１０７より構成され、かつ、この連結部材１０７の両端部が、第１自在継手１４の第２接続部材１０２の穴部１０２ａ及び第２自在継手１６の第１接続部材１０１の穴部１０１ａにそれぞれ挿入された構造として実現されている。
【００２６】
第１自在継手１４と直動関節１５は、第１自在継手１４の第２接続部材１０２の対向する一対の貫通穴部１０２ｄを貫通するように配設された固定ピン１０９を、連結部材１０７の一方の端部の切欠溝１０７ａが挟み込むように配設されることにより、回転不可にかつ軸方向に許容範囲内で摺動自在に連結されている。また、第２自在継手１６と直動関節１５は、第２自在継手１６の第１接続部材１０１の対向する一対の貫通穴部１０１ｄを貫通するように配設された固定ピン１１０を、連結部材１０７の他方の端部の切欠溝１０７ａが挟み込むように配設されることにより、回転不可にかつ軸方向に許容範囲内で摺動自在に連結されている。この結果、連結部材１０７の２つの切欠溝１０７ａには、それぞれの接続部材１０２，１０１に固定された固定ピン１０９、１１０が挿入されて連結部材１０７のそれぞれの端部に挟み込むように位置することになるため、連結部材１０７は、第１自在継手１４の第２接続部材１０２及び第２自在継手１６の第１接続部材１０１それぞれに対して、長手軸方向には伸縮自在かつ連結部材１０７の長手軸回りには相対的に回転不可となっている。
【００２７】
第３構造体３と第１自在継手１４は、図２Ａ及び図２Ｂにおける第３構造体３の右端の小径部３ａが第１自在継手１４の接続部材１０１の穴部１０１ａに挿入され、第３構造体３の右端の小径部３ａと第１自在継手１４の第１接続部材１０１に共通に開けられた貫通穴部１０１ｄなどに固定ピン１１１を通して固定することにより相対的に回転不可に連結されている。
【００２８】
一方、プーリー１２の軸１２ａと第２自在継手１６は、図２Ａ及び図２Ｂにおけるプーリー１２の軸１２ａの左端の小径部１２ｂが第２自在継手１６の第２接続部材１０２の穴部１０２ａに挿入され、プーリー１２の軸１２ａの左端の小径部１２ｂと第２自在継手１６の第２接続部材１０２に共通に開けられた貫通穴部１０２ｄなどに固定ピン１１２を通して固定することにより相対的に回転不可に連結されている。
【００２９】
各アクチュエータを構成する空気圧人工筋は、図４に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体１７の外表面に繊維コードで構成された拘束部材１８が配設され、管状弾性体１７の両端部を封止部材１９でそれぞれ気密封止する構造となっている。流体注入出部材２０を通じて空気等の圧縮性流体を管状弾性体１７内に供給することにより内圧を管状弾性体１７の内部空間に与えると、管状弾性体１７が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束部材１８の作用により、管状弾性体１７の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。この空気圧人工筋は主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。
【００３０】
図５は空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。図５において、２１は例えばコンプレッサー等の空気圧源、２２は空気圧フィルタ２２ａ、空気圧減圧弁２２ｂ、及び空気圧用ルブリケータ２２ｃが１組になった空気圧調整ユニットである。２３は例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する５ポート流量制御電磁弁である。２４は例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御コンピュータであり、Ｄ／Ａボード２４ａが搭載されており、５ポート流量制御電磁弁２３に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体注入出部材２０を流れるそれぞれの空気の流量を制御可能とする。
【００３１】
図５に示す空気圧供給駆動系によれば、空気圧源２１により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット２２により減圧され、例えば６００ｋＰａといった一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁２３に供給される。５ポート流量制御電磁弁２３の開度は、制御コンピュータ２４よりＤ／Ａボード２４ａを介して出力される電圧指令値に比例して制御される。５ポート流量制御電磁弁２３には、一対の空気圧人工筋２０１−３ａ，２０１−３ｂの管状弾性体１７の流体注入出部材２０がそれぞれ接続されている。一対の空気圧人工筋２０１−３ａ，２０１−３ｂは支持棒２０３沿いに大略平行に配置され、それぞれの管状弾性体１７の流体注入出部材２０側の端部が、支持棒２０３の端部に固定された支持板２０２に固定されている。一対の空気圧人工筋２０１−３ａ，２０１−３ｂの管状弾性体１７の他方の端部側には、支持棒２０３に回転関節軸２００で回転自在に支持されたＴ字状の回動部材２０４が支持され、この回動部材２０４に一対の空気圧人工筋２０１−３ａ，２０１−３ｂの管状弾性体１７の他方の端部が回転自在に支持されている。したがって、以下に述べるように、一対の空気圧人工筋２０１−３ａ，２０１−３ｂのそれぞれの管状弾性体１７が伸縮することにより、回動部材２０４が回転関節軸２００回りに正逆回転駆動される。
【００３２】
制御コンピュータ２４より正の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３に入力された場合には、図５に示すように空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源２１側から空気圧人工筋２０１−３ａの管状弾性体１７の流体注入出部材２０側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋側に供給される。また、空気圧人工筋２０１−３ｂ側は、管状弾性体１７の流体注入出部材２０から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋２０１−３ｂ側から大気中へ排気される。したがって、図５に示すように、空気圧人工筋２０１−３ａの全長が縮み、空気圧人工筋２０１−３ｂの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で関節軸２００は矢印で示されるように右回転運動を行う。
【００３３】
一方、制御コンピュータ２４より負の電圧指令値がＤ／Ａボード２４ａから５ポート流量制御電磁弁２３に入力された場合には、５ポート流量制御電磁弁２３が切り替えられて、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、空気圧人工筋２０１−３ａの動作は逆となり、関節軸２００は左回転運動を行う。すなわち、空気圧源２１側から空気圧人工筋２０１−３ｂの管状弾性体１７の流体注入出部材２０側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が空気圧人工筋側に供給される。また、空気圧人工筋２０１−３ａ側は、管状弾性体１７の流体注入出部材２０から大気圧側への流路が５ポート流量制御電磁弁２３を介して開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が空気圧人工筋２０１−３ａ側から大気中へ排気される。したがって、空気圧人工筋２０１−３ｂの全長が縮み、空気圧人工筋２０１−３ａの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で関節軸２００は矢印とは逆方向で示される左回転運動を行う。
【００３４】
以上の構成の２自由度関節駆動機構の動作について説明する。
【００３５】
図３Ａ，図３Ｂは本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の動作をそれぞれ示す図である。図３Ａ，図３Ｂにおいては主要な構成要素のみ記し、他の部分は省略している。
【００３６】
上記したように、第１直動アクチュエータ群８の４本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２、８−３、８−４は、図１Ａの左側の２本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２と図１Ａの右側の別の２本の第１直動アクチュエータ８−３、８−４が第１構造体１を挟んで第１回転関節５に関して対向するように回転ジョイント９−１、９−２、９−３、９−４により第２構造体２に接続されている。したがって、図１Ａの左側の２本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２が収縮し、図１Ａの右側の別の２本の第１第１直動アクチュエータ８−３、８−４が伸張すれば、図３Ｂに示されるように、第１回転関節５の回転軸５Ｃ回りの時計方向の回転運動が発生する。逆に、図１Ａの左側の２本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２が伸張し、図１Ａの右側の別の２本の第１直動アクチュエータ８−３、８−４が収縮すれば、回転運動は逆回転すなわち反時計方向の回転となる。
【００３７】
以上のように、第１直動アクチュエータ群８の４本の第１直動アクチュエータ８−１、８−２、８−３、８−４により、第１構造体１と第２構造体２の正逆回転運動が駆動されることにより、第１構造体１と第３構造体３の揺動運動すなわち角度θの運動が駆動される。この角度θは例えば±６０度の範囲内で駆動するのが好ましい。
【００３８】
上記したように、第２直動アクチュエータ群１０は、第２直動アクチュエータ１０−１と第２直動アクチュエータ１０−２がワイヤー１１を介し対向するように配設されている。ワイヤー１１はプーリー１２に掛けられ、第２直動アクチュエータ１０−１が収縮し、第２直動アクチュエータ１０−２が伸張することにより、プーリー１２が回転する。逆に、第２直動アクチュエータ１０−１が伸張し、第２直動アクチュエータ１０−２が収縮することにより、プーリー１２は逆回転する。
【００３９】
ここで、本発明の第１実施形態の特徴は、第３構造体３が、第１自在継手１４、直動関節１５、第２自在継手１６によりプーリー１２に接続され、第２直動アクチュエータ群１０の第２直動アクチュエータ１０−１、１０−２により、第２構造体２に対する第３構造体３の第２回転関節７の回転軸７Ｃ回りの回転運動φが駆動される点にある。第１自在継手１４、直動関節１５、第２自在継手１６により接続されることにより、第１回転関節５の回転軸５Ｃ回りの回転運動による角度θの変化に関わらず、第１構造体１に姿勢が固定された第２直動アクチュエータ群１０の第２直動アクチュエータ１０−１、１０−２により、第２回転関節７の回転軸７Ｃ回りの回転運動φが駆動可能となる。すなわち、第２回転関節７の回転軸７Ｃ回りの回転運動φを駆動するために第２構造体２にアクチュエータを配設する構造ではないため、関節構造を小型・軽量にすることができる。
【００４０】
また、図６は本２自由度関節駆動機構をロボットアームに応用した場合の例である。図６に示すロボットアームは、第１関節２７、第２関節２８、第３関節２９、第４関節３０、第５関節３１を有する５自由度アームであり、第２関節２８及び第３関節２９部分が本発明の第１実施形態の多自由度関節駆動機構となっている。このようなロボットアーム構造によれば、第１構造体１をアームの根元に近い側のリンク、第３構造体３をアームの先端に近い側のリンクとすることにより、重量物であるアクチュエータがアームの根元に近い側に配設されることになり、アームの動特性が改善され、制御性能の高いロボットアームとすることができる。
【００４１】
また、本発明の第１実施形態の多自由度関節駆動機構によれば、第１自在継手１４、直動関節１５、第２自在継手１６が第２構造体２の内側に配設された構造となっているため、可動機構部分が外側に露出することなく、安全性の高い構造となっている。
【００４２】
また、本発明の第１実施形態の多自由度関節駆動機構によれば、動力伝達機構として歯車ではなく、第１自在継手１４、直動関節１５、第２自在継手１６といった耐衝撃性の強い剛結合的機構により駆動されるため、空気圧人工筋や空気圧シリンダ等の柔軟なアクチュエータと併用することにより、柔軟で耐衝撃性の強い構造を容易に構成することができる。
【００４３】
また、本発明の第１実施形態の多自由度関節駆動機構によれば、動力伝達機構として摩擦の大きい歯車ではなく、ベアリング１３，４−１、４−２により保持された第１自在継手１４、直動関節１５、第２自在継手１６といった摩擦の小さい機構により駆動されるため、空気圧シリンダのような摺動摩擦が存在しない低摩擦な空気圧人工筋と併用することにより、駆動摩擦が少なく制御性の良い多自由度関節駆動機構とすることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態における多自由度関節駆動機構の構造を示す断面図である。図７の多自由度関節駆動機構は、図２Ａに示した第１実施形態と比べ、自在継手と直動関節１５の接続の順序が異なる。第２実施形態では、第３構造体３に第１自在継手１４が接続され、第１自在継手１４に第２自在継手１６が接続され、第２自在継手１６が直動関節１５に接続される構成となっている。他の構成は第１実施形態の場合と同様であるので説明は省略する。
【００４５】
以上の構成の場合でも、第１回転関節５の角度変化による第２回転関節７の回転軸７Ｃの揺動角度θの変化を第１自在継手１４及び第２自在継手１６が吸収し、揺動角度θの変化に伴う第２自在継手１６とプーリー１２間の距離の変化を直動関節１５が吸収するため、同様の効果を発揮する。
【００４６】
なお、上記の実施形態では、直動アクチュエータを空気圧人工筋としたが、これに限られるわけではなく、空圧シリンダ、油圧シリンダや電動リニアアクチュエータ等、その他の直動アクチュエータでも同様の効果を発揮する。
【００４７】
また、上記の実施形態では、第２直動アクチュエータ群１０により、ワイヤー１１とプーリー１２を介し第１自在継手１４を駆動する構成としたが、これに限られるわけではなく、第１アクチュエータ群８と同様にリンク−ジョイント機構により駆動する構成でも同様の効果を発揮する。
【００４８】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の多自由度関節駆動機構は、多関節ロボットアームの関節駆動機構として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における回転機構のための関節駆動機構等、機械装置の関節駆動機構として適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の構造の大略全体を示す平面図である。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の構造の大略全体を示す底面図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の構造を示す図１ＡのＡ−Ａ線の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの部分拡大断面図である。
【図２Ｃ】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の第１自在継手と直動関節の斜視図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の動作を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構の動作を示す図である。
【図４】空気圧人工筋の構造を示す図である。
【図５】上記空気圧人工筋を駆動するための空気圧供給駆動系の構成を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態における多自由度関節駆動機構を応用したロボットアームの構造を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態における多自由度関節駆動機構の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  第１構造体
１ａ  二股部
１ｂ  貫通穴
２  第２構造体
２Ａ  連結ピン
２ａ  二股部
２ｂ  貫通穴
３  第３構造体
４−１、４−２  ベアリング
５  第１回転関節
５Ｃ  第１回転関節の回転軸
６−１、６−２  ベアリング
７  第２回転関節
７Ｃ  第２回転関節の回転軸
８  第１直動アクチュエータ群
８−１、８−２、８−３、８−４  第１直動アクチュエータ
９−１、９−２、９−３、９−４  ジョイント
１０  第２直動アクチュエータ群
１０−１、１０−２  第２直動アクチュエータ
１１  ワイヤー
１２  プーリー
１２ａ  軸
１２ｂ  小径部
１３  ベアリング
１４  第１自在継手
１５  直動関節
１６  第２自在継手
１７  管状弾性体
１８  拘束部材
１９  封止部材
２０  流体注入出部材
２１  空気圧源
２２  空気圧調整ユニット
２２ａ  空気圧フィルタ
２２ｂ  空気圧減圧弁
２２ｃ  空気圧用ルブリケータ
２３  ５ポート流量制御電磁弁
２４  制御コンピュータ
２４ａ  Ｄ／Ａボード
２７  第１関節
２８  第２関節
２９  第３関節
３０  第４関節
３１  第５関節
１０１  第１接続部材
１０１ａ  穴
１０１ｂ  突出連結部
１０１ｃ  嵌合穴
１０１ｄ  貫通穴部
１０２  第２接続部材
１０２ａ  穴
１０２ｂ  突出連結部
１０２ｃ  嵌合穴
１０２ｄ  貫通穴部
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ  回転ピン
１０４  回転ピン保持部材
１０５  第１回転軸
１０６  第２回転軸
１０７  連結部材
１０７ａ  切欠溝
１０９、１１０、１１１、１１２  固定ピン
２００  関節軸
２０１−３ａ, ２０１−３ｂ  空気圧人工筋
２０２  支持板
２０３  支持棒
２０４  回動部材
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
2005230949.tif 000005
【図２Ｂ】
2005230949.tif 000006
【図２Ｃ】
2005230949.tif 000007
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2005230949.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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